專利名稱：投射發(fā)光二極管的冷卻的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及投射領(lǐng)域，具體地涉及將發(fā)光二極管(LED)作為光源的使用以及對(duì)發(fā)光二極管的冷卻。
背景技術(shù)：
LED的使用已經(jīng)增加。特別地是，對(duì)使用LED作為投射引擎/系統(tǒng)的光源的興趣增長(zhǎng)了。該增長(zhǎng)在很大程度上是由于LED的光輸出的增大所導(dǎo)致的。在歷史上，LED的低光輸出使得它們對(duì)于在需要相當(dāng)大的光輸出的應(yīng)用(例如，在室外應(yīng)用中)中的使用是不實(shí)際的。然而，隨著LED光輸出持續(xù)增大，LED正在越來越多的領(lǐng)域中得到應(yīng)用。
LED的視光輸出取決于許多因素。這種因素包括LED相對(duì)于光心的視角以及LED的亮度。LED的亮度本身是許多因素的函數(shù)。例如，該亮度會(huì)受被傳送到LED的電流的量和LED的結(jié)(junction)溫的影響。


以下參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行描述，在這些附圖中，類似的標(biāo)符表示類似的要素，在附圖中圖1例示了作為結(jié)溫的函數(shù)的特定綠LED的相對(duì)光輸出；圖2例示了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的包括針對(duì)LED的冷卻裝置的裝置；圖3例示了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的具有另選結(jié)構(gòu)的LED；圖4例示了根據(jù)另一實(shí)施例的利用冷卻棒的LED冷卻場(chǎng)景；圖5例示了在沒有熱電冷卻器的情況下連接有熱塊的LED冷卻系統(tǒng)；圖6例示了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的利用液體冷卻系統(tǒng)的LED；圖7例示了根據(jù)另一實(shí)施例的利用液體冷卻系統(tǒng)的LED；
圖8例示了利用熱傳感器來監(jiān)測(cè)LED的熱輸出的實(shí)施例；圖9例示了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的利用熱反饋來控制LED的輸出的系統(tǒng)；以及圖10例示了根據(jù)另一實(shí)施例的利用熱反饋來控制LED的輸出的系統(tǒng)。
圖11例示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的用于投射圖像的投射系統(tǒng)的框圖。
具體實(shí)施例方式
在以下詳細(xì)說明中，公開了用于對(duì)發(fā)光二極管(LED)進(jìn)行冷卻的新方法和新設(shè)備。在本說明中，參照了構(gòu)成本說明的一部分的附圖，在所有附圖中，類似的標(biāo)號(hào)表示類似的部分，并且在附圖中以例示的方式示出了可以實(shí)踐本發(fā)明的具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)明白，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下可以使用其他實(shí)施例并進(jìn)行結(jié)構(gòu)或邏輯變化。因此，以下詳細(xì)說明不具限制意義，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物來限定。
通常利用在特定結(jié)溫(即，LED的發(fā)光部分的溫度)下的某個(gè)光輸出特性來對(duì)LED進(jìn)行評(píng)定。例如，可以將LED評(píng)定為在25攝氏度下針對(duì)它的光輸出具有100％的值(例如，歸一化的)。對(duì)于結(jié)溫的其他值，可以相對(duì)于該值來確定光輸出。圖1例示了作為結(jié)溫的函數(shù)的特定綠LED的相對(duì)光輸出。通常，隨著結(jié)溫的升高，相對(duì)光輸出值相對(duì)于25攝氏度下的值減小。例如，特定綠LED可能在70攝氏度下具有它的25攝氏度值的80％的相對(duì)光輸出183。特定綠LED可能在120攝氏度下僅具有它的25攝氏度值的60％的相對(duì)光輸出185。
由此，與未被冷卻的LED相比，對(duì)LED進(jìn)行冷卻可以提供產(chǎn)生更大的光輸出的能力?？梢允褂酶鞣N方法來對(duì)LED進(jìn)行冷卻。例如，可以將熱沉耦合到LED。作為另一種選擇，可以使用強(qiáng)制空氣來對(duì)LED進(jìn)行冷卻。盡管這些方法可以使結(jié)溫降低，但是結(jié)溫的降低可能不能達(dá)到獲得目標(biāo)光輸出的足夠溫度。如本文所公開的，可以使用附加方法來產(chǎn)生更大的LED的結(jié)溫的降低，從而允許LED的光輸出增大。
圖2例示了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的包括LED的冷卻裝置的裝置。在所例示的實(shí)施例中，將LED 210通過熱傳導(dǎo)路徑熱耦合(couple)到熱電冷卻器230(例如，珀?duì)柼b置)。該熱傳導(dǎo)路徑可以是隔熱基板224中的傳熱片(thermal conductive slug)222。在另一實(shí)施例中，將LED直接耦合到熱電冷卻器。將該熱電冷卻器的冷端232熱耦合到LED 210。在所例示的實(shí)施例中，將熱電冷卻器的熱端234耦合到熱沉240。將該熱沉布置于強(qiáng)制氣流250中，以提供更大的冷卻。然而，在另選實(shí)施例中，可以利用自然對(duì)流而非強(qiáng)制對(duì)流來對(duì)熱沉進(jìn)行冷卻。在其他實(shí)施例中，可以在不使用熱沉的情況下利用強(qiáng)制氣流來對(duì)熱電冷卻器直接進(jìn)行冷卻。還要注意，盡管將熱沉240例示為物理地耦合到熱電冷卻器230，但是在另選實(shí)施例中該耦合可以在本質(zhì)上僅僅是熱耦合。
熱電冷卻器的熱端的溫度可能顯著高于未冷卻LED的溫度。由此，可以使用更廣泛的消散該較高溫度的方法。例如，可以使用更大的熱沉來對(duì)熱電冷卻器和LED都進(jìn)行冷卻。然而，就獲得更高光輸出的所得機(jī)會(huì)方面，對(duì)更大熱沉的增加支出是否合理進(jìn)行確定。
圖3例示了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的具有另選結(jié)構(gòu)的LED。如圖3所示，將LED 310安裝在具有金屬核心(例如鋁核心)的印刷電路板320上。將該印刷電路板320耦合到熱電冷卻器330。接著將該熱電冷卻器330耦合到熱塊335。在熱塊335內(nèi)容納有幾根冷卻棒340的端部。這些冷卻棒340是內(nèi)部具有制冷劑的空心棒。將這些冷卻棒340的另一端部布置于強(qiáng)制氣流350中。當(dāng)在熱塊內(nèi)部制冷劑受熱時(shí)，它蒸發(fā)并被傳送到位于強(qiáng)制氣流中的熱棒的較冷側(cè)344。然后蒸汽液化，然后較冷的液化液體被傳送回到這些熱棒的較熱側(cè)342。
圖4例示了根據(jù)另一實(shí)施例的利用冷卻棒的LED冷卻場(chǎng)景。在本實(shí)施例中，將多根冷卻棒440的不在熱塊中的一側(cè)耦合到一個(gè)或更多個(gè)熱沉460。然后利用這些熱沉460將通過所述多根冷卻棒440傳送到這些熱沉460的熱散去。該冷卻過程可以是通過熱沉外的熱的自然對(duì)流。作為另一種選擇，可以在熱沉460的周圍存在提供強(qiáng)制對(duì)流冷卻的強(qiáng)制空氣環(huán)境450。
圖5例示了在沒有熱電冷卻器的情況下連接有熱塊的LED冷卻系統(tǒng)。在該更被動(dòng)的實(shí)施例中，將熱塊535耦合到含有散熱片(thermal slug)522的PCB 520。該散熱片522提供了在LED 510與熱塊535之間的熱耦合。將該熱塊535熱耦合到多根熱棒540。本實(shí)施例可以提供較低成本的解決方案，該解決方案與利用熱電冷卻器的實(shí)施例相比還消耗更少的電力。
圖6例示了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的利用液體冷卻系統(tǒng)的LED。將LED 610熱耦合到熱塊635。將熱塊635耦合到液體冷卻系統(tǒng)，在所例示的實(shí)施例中，該液體冷卻系統(tǒng)包括耦合到換熱器650和熱塊635的液體路徑640中的液體。在一個(gè)實(shí)施例，該液體可以是制冷劑。該液體冷卻系統(tǒng)還包括促進(jìn)該液體在該系統(tǒng)中循環(huán)的流體泵660。該液體在經(jīng)過熱塊635時(shí)被加熱。加熱后的液體被泵送到換熱器650。利用該換熱器650對(duì)該液體進(jìn)行冷卻。在所例示的實(shí)施例中，由強(qiáng)制空氣670來輔助對(duì)液體的冷卻。
圖7例示了根據(jù)另一實(shí)施例的利用液體冷卻系統(tǒng)的LED。為了進(jìn)一步促進(jìn)對(duì)LED 710的冷卻，將熱電冷卻器730熱耦合在熱塊730與LED710之間。然后利用液體冷卻系統(tǒng)740來對(duì)熱電冷卻器730的熱端進(jìn)行冷卻。
以上公開的用于對(duì)LED進(jìn)行冷卻的實(shí)施例可以是反饋環(huán)的一部分。可以利用反饋來對(duì)LED的操作或?qū)ED的冷卻進(jìn)行控制。在一個(gè)實(shí)施例中，在LED附近或LED的熱下游(其仍然指示LED的熱狀態(tài))設(shè)置熱傳感器。在另一實(shí)施例中，將熱傳感器集成到LED。該熱傳感器可以具有如下的特征使得來自該熱傳感器的輸出與LED中的關(guān)鍵溫度很相關(guān)?？梢詫碜栽摕醾鞲衅鞯妮敵霭l(fā)送給處理器以進(jìn)行處理。該處理可以包括生成控制輸出以對(duì)冷卻控制器進(jìn)行控制。該冷卻控制器可以對(duì)能夠響應(yīng)性地影響冷卻的任何冷卻裝置(如熱電冷卻器、熱泵或風(fēng)扇)進(jìn)行控制?？梢詫?duì)由該處理器使用的算法進(jìn)行設(shè)計(jì)，以改進(jìn)諸如LED使用壽命、LED亮度、系統(tǒng)聲學(xué)特性等的任何期望的參數(shù)。
圖8例示了利用熱傳感器830來監(jiān)測(cè)LED 810的熱輸出的實(shí)施例。在本實(shí)施例中，熱傳感器830位于熱傳導(dǎo)印刷電路板820上，在該熱傳導(dǎo)印刷電路板820上安裝有LED 810。將該熱傳導(dǎo)印刷電路板820耦合到熱電冷卻器835和冷卻系統(tǒng)850。熱傳感器830向處理器840提供與LED 810的熱輸出有關(guān)的信息。然后處理器840進(jìn)行動(dòng)作，以基于所提供的信息對(duì)風(fēng)扇870(其對(duì)通過冷卻系統(tǒng)850中的換熱器上方的空氣進(jìn)行強(qiáng)制)進(jìn)行控制，并且/或者對(duì)冷卻系統(tǒng)泵進(jìn)行控制，并且/或者對(duì)TE冷卻電流進(jìn)行控制。
圖9例示了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的利用熱反饋來控制LED 910的輸出的系統(tǒng)。將熱傳感器930熱耦合到LED 910?？梢詫碜詿醾鞲衅?30的信號(hào)935發(fā)送給處理器940。處理器940對(duì)LED驅(qū)動(dòng)器920進(jìn)行控制，LED驅(qū)動(dòng)器920接著對(duì)LED 910進(jìn)行控制。處理器940可以執(zhí)行含有被設(shè)計(jì)成對(duì)來自熱傳感器930的反饋熱信息進(jìn)行分析的算法的軟件指令，并向LED驅(qū)動(dòng)器920提供控制信息。例如，如果LED 910太熱，則可以由該處理器通過控制值指示LED驅(qū)動(dòng)器920以使LED 910的光輸出減小?？梢酝ㄟ^處理器940從存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器945中的表中“查找”新控制值來實(shí)現(xiàn)該減小。該表可以含有針對(duì)由熱傳感器930提供給處理器940的特定熱信息的控制值。在一個(gè)實(shí)施例中，該控制值可以是待提供給LED910的新電流電平，該熱信息可以是由熱傳感器930測(cè)得的溫度。本控制系統(tǒng)可以對(duì)LED 910進(jìn)行操作，直到在熱傳感器930處獲得了期望的溫度。在另一實(shí)施例中，可以使用算法而非查找表來確定待提供給LED控制器的控制信息。標(biāo)題為“LED PROJECTOR DRIVE SCHEMES”的共同未決申請(qǐng)(其被同時(shí)提交)提供了與LED驅(qū)動(dòng)方案有關(guān)的信息。將其說明書通過引用全部并入于此。
圖10例示了根據(jù)另一實(shí)施例的利用熱反饋來控制LED 1010的輸出的系統(tǒng)。在本實(shí)施例中，通過熱傳感器1030對(duì)LED 1010的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，處理器1040可以對(duì)到LED 1010的電力和對(duì)到冷卻裝置的驅(qū)動(dòng)器1020進(jìn)行控制。例如，光輸出檢測(cè)器1035可以向處理器1040提供與LED 1010的光輸出有關(guān)的信息。在所例示的實(shí)施例中，通過電路板1060中的信號(hào)示蹤器(traces)向LED 1010提供電流?？梢酝ㄟ^通知控制器減小到LED1010的電流來確定不期望進(jìn)一步減小LED 1010的光輸出。在此情況下，可能期望增強(qiáng)冷卻系統(tǒng)1050對(duì)LED的冷卻。例如，強(qiáng)制空氣冷卻解決方案可以通過增強(qiáng)經(jīng)過換熱器的強(qiáng)制氣流1070來增強(qiáng)對(duì)LED 1010的冷卻。
圖11例示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的用于投射圖像的投射系統(tǒng)1100的框圖。如例示的那樣，對(duì)于本實(shí)施例，投射系統(tǒng)1100包括投射引擎，該投射引擎具有LED光源1102、如所示出的那樣相互光學(xué)地耦合的許多其他光學(xué)組件1106以及投射透鏡1108。在各種實(shí)施例中，其他光學(xué)組件1106具體包括光閥(未明確地示出)。此外，對(duì)于本實(shí)施例，投射系統(tǒng)1100包括通過LED控制器1112、LED冷卻系統(tǒng)1114以及其他光學(xué)組件1106電耦合的控制塊1110，以對(duì)LED光源1102進(jìn)行控制。
使用LED光源1102來提供大量基色光束。在各種實(shí)施例中，這些基色光束包括紅、藍(lán)以及綠光束。在另選實(shí)施例中，可以替代地提供其他基色光束。
盡管這里出于對(duì)優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行說明的目的而對(duì)具體實(shí)施例進(jìn)行了例示和描述，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下意圖實(shí)現(xiàn)相同目的的廣泛的各種變化和/或等同實(shí)現(xiàn)可以取代所示出和說明的具體實(shí)施例。本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，可以在廣泛的各種實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。本申請(qǐng)旨在覆蓋對(duì)這里討論的實(shí)施例的任何修改或變化。因此，顯然本發(fā)明只受所附權(quán)利要求及其等同物的限制。
權(quán)利要求
1.一種投射設(shè)備，該投射設(shè)備包括產(chǎn)生投射用光的發(fā)光二極管；熱耦合到所述發(fā)光二極管的熱電冷卻器；以及熱耦合到所述熱電冷卻器的散熱裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投射設(shè)備，其中，所述散熱裝置包括耦合到所述熱電冷卻器的熱沉。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投射設(shè)備，該投射設(shè)備還包括熱耦合到所述散熱裝置的強(qiáng)制空氣冷卻裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投射設(shè)備，其中，所述散熱裝置包括耦合到所述熱電冷卻器的熱塊；和耦合到所述熱塊的一個(gè)或更多個(gè)冷卻棒。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的投射設(shè)備，其中，所述一個(gè)或更多個(gè)冷卻棒中的至少一個(gè)的一端被耦合到所述熱塊。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的投射設(shè)備，該投射設(shè)備還包括耦合到所述一個(gè)或更多個(gè)冷卻棒中的至少一個(gè)的熱沉。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投射設(shè)備，其中，所述散熱裝置包括耦合到所述熱電冷卻器的熱塊；和耦合到所述熱塊的液體冷卻系統(tǒng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的投射設(shè)備，其中，所述液體冷卻系統(tǒng)包括耦合到所述熱塊的冷卻液；耦合到所述冷卻液的流體泵；以及耦合到所述冷卻液的換熱器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投射設(shè)備，其中，所述投射設(shè)備是投射引擎。
10.一種投射設(shè)備，該投射設(shè)備包括產(chǎn)生投射用光的發(fā)光二極管；耦合到所述發(fā)光二極管的熱塊；以及耦合到所述熱塊的一個(gè)或更多個(gè)冷卻棒。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的投射設(shè)備，該投射設(shè)備還包括熱耦合到所述一個(gè)或更多個(gè)冷卻棒中的至少一個(gè)的強(qiáng)制空氣冷卻裝置。
12.一種投射設(shè)備，該投射設(shè)備包括產(chǎn)生投射用光的發(fā)光二極管；耦合到所述發(fā)光二極管的熱塊；以及耦合到所述熱塊的液體冷卻系統(tǒng)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的投射設(shè)備，該投射設(shè)備還包括熱耦合到所述液體冷卻系統(tǒng)的強(qiáng)制空氣冷卻裝置。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的投射設(shè)備，其中，所述液體冷卻系統(tǒng)包括耦合到所述熱塊的冷卻液；耦合到所述冷卻液的流體泵；以及耦合到所述冷卻液的換熱器。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的投射設(shè)備，該投射設(shè)備還包括熱耦合在所述發(fā)光二極管與所述液體冷卻系統(tǒng)之間的熱電冷卻器。
16.一種投射設(shè)備，該投射設(shè)備包括產(chǎn)生投射用光的發(fā)光二極管；熱耦合到所述發(fā)光二極管的熱傳感器；耦合到所述熱傳感器的處理器；以及耦合到所述發(fā)光二極管和所述處理器的冷卻系統(tǒng)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的投射設(shè)備，其中，所述處理器通過對(duì)所述冷卻系統(tǒng)的控制來促進(jìn)對(duì)所述發(fā)光二極管進(jìn)行冷卻。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的投射設(shè)備，其中，所述冷卻系統(tǒng)包括液體冷卻系統(tǒng)。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的投射設(shè)備，其中，所述冷卻系統(tǒng)包括熱電冷卻器。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的投射設(shè)備，其中，所述冷卻系統(tǒng)包括一個(gè)或更多個(gè)熱棒。
21.一種投射系統(tǒng)，該投射系統(tǒng)包括投射透鏡；光耦合到所述投射透鏡的多個(gè)發(fā)光二極管光源，這些發(fā)光二極管光源用于輸出具有不同波長(zhǎng)的多個(gè)不同色的光束；分別熱耦合到所述多個(gè)發(fā)光二極管的多個(gè)熱電冷卻器；以及熱耦合到所述多個(gè)熱電冷卻器的一個(gè)或更多個(gè)散熱裝置。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的投射系統(tǒng)，該投射系統(tǒng)還包括分別熱耦合到所述多個(gè)發(fā)光二極管的多個(gè)熱傳感器；和耦合到所述多個(gè)熱傳感器和所述多個(gè)發(fā)光二極管的處理器。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的投射系統(tǒng)，其中，所述處理器被設(shè)計(jì)成至少基于從所述多個(gè)熱傳感器獲得的信息來對(duì)提供給所述多個(gè)發(fā)光二極管的電流進(jìn)行控制。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的投射系統(tǒng)，其中，所述處理器被設(shè)計(jì)成至少基于從所述多個(gè)熱傳感器獲得的信息來對(duì)所述一個(gè)或更多個(gè)散熱裝置進(jìn)行控制。
全文摘要
本發(fā)明提供了投射發(fā)光二極管的冷卻。本文描述了包括發(fā)光二極管(LED)和冷卻裝置的投射設(shè)備。
文檔編號(hào)F21V29/00GK1957296SQ200580015335
公開日2007年5月2日 申請(qǐng)日期2005年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月11日
發(fā)明者T·斯科特·恩格爾, 大衛(wèi)·E·斯洛博丁 申請(qǐng)人:富可視公司